Le leghe del titanio sono dei composti di diversi elementi che possono essere utilizzati per gli scopi più disparati. Come tutte le leghe, sono formate da un elemento principale, presente in misura maggiore, unito a uno o più elementi secondari.
Molti materiali che noi crediamo essere un unico elemento sono in realtà leghe: l’ottone (costituito da rame e zinco), la ghisa (costituita da ferro e carbonio) e il peltro sono solo alcuni esempi.
Oggi scopriamo quindi le leghe del titanio e i loro usi principali, così come le metodologie con cui si ottengono.
Le leghe del titanio: a cosa serve questo materiale e come sfruttarlo al meglio
Il titanio è un elemento della tavola periodica (numero 22) ed è il quarto elemento più presente sulla Terra, con utilissime proprietà ingegneristiche:
- Alta resistenza
- Bassa densità
- Bassa conducibilità termica
- Resistenza a corrosione
- Bassa espansione termica
- Bassa elasticità
- Facilità di lavorazione
E molto altro ancora!
Il titanio puro, così come estratto dalle miniere, si presenta di colore bianco e brillante, a differenza della forma che assumerà una volta lavorato. Può inoltre presentarsi in due forme cristalline: la prima è un esagonale compatto, stabile a basse temperature. La seconda ha invece una struttura cubica ed è stabile ad alte temperature.
Perché le leghe
Lo scopo principale della creazione di leghe del titanio è la necessità di aggiungere determinate caratteristiche per migliorare le proprietà meccaniche del materiale.
Un primo esempio è quello della temperatura di trasformazione, che grazie all’aggiunta dell’alluminio può essere abbassata o aumentata.
Le leghe del titanio possono essere distinte in alfa e quasi-alfa, alfa-beta e beta.
Leghe alfa e quasi-alfa
Sono quelle dalla struttura esagonale compatta, che possono vantare la più alta resistenza meccanica, nonché la più alta resistenza all’ossidazione in determinate temperature, come il range dai 300 ai 550°C.
Leghe alfa-beta
Si tratta della stragrande maggioranza delle leghe del titanio utilizzate comunemente nell’industria di ogni tipo: rappresenta circa il 70% delle leghe del titanio presenti. A differenza delle leghe alfa, hanno minore formabilità. Tuttavia, hanno altre caratteristiche che le rendono preferite: resistenza meccanica e malleabilità termica.
Leghe beta
La terza categoria delle leghe del titanio sono meno dense, ma di contro a temperatura ambiente sono le più malleabili e inoltre meglio saldabili.
La corrosione
Le leghe del titanio hanno un comportamento molto particolare nei confronti della corrosione.
In natura, il titanio forma quasi immediatamente uno strato di ossidazione superficiale, che protegge gli strati più interni. Tuttavia, in assenza di umidità, lo strato che va a formarsi non risulta protettivo, esponendo così il materiale alla corrosione.
Gli usi e le applicazioni delle leghe del titanio
Le leghe del titanio sono applicate nei più diversi contesti industriali, grazie alle loro caratteristiche di resistenza e duttilità.
In particolare, la resistenza meccanica e alla corrosione, nonché la “difficoltà” alla frattura rendono le leghe del titanio particolarmente apprezzabili specialmente in ambito aeronautico e aerospaziale. Tuttavia, gli alti costi ne limitano l’utilizzo ai soli casi davvero necessari, come ad esempio nei casi in cui l’alluminio, altrettanto valido, non possa essere utilizzato per via delle alte temperature.
Mentre si usa il titanio puro per componenti che solo per un breve lasso di tempo sono sottoposti a temperature maggiori di 500°, le leghe del titanio si usano invece per temperature ancora maggiori.
Le lavorazioni delle leghe del titanio
Ma come è possibile arrivare al pezzo dell’aeromobile come lo vediamo noi? Quali sono i passaggi di produzione e di finitura che il titanio deve subire per poter essere utilizzato nei contesti industriali?
Sgrassaggio
La prima operazione di finitura che le leghe del titanio subiscono una volta terminata la fase di produzione è quella dello sgrassaggio. Questo procedimento è mirato sostanzialmente alla rimozione di ogni residuo oleoso o di grassi, derivante dalle precedenti lavorazioni.
Le saldature, ad esempio, inevitabilmente rilasciano dei residui, così come il passaggio attraverso alcune macchine.
Con lo sgrassaggio si procede quindi ad eliminare questi residui, e ciò avviene attraverso la tecnica di immersione – se le dimensioni del pezzo lo consentono – in una soluzione sgrassante. In alternativa, è possibile procedere con una tecnica a spruzzo, utilizzando speciali pistole.
Decapaggio delle leghe del titanio
Il secondo procedimento di finitura da eseguire sulle leghe del titanio è quello del decapaggio. Anche questa fase ha come scopo la rimozione di residui, solo che in questo caso si parla di residui ossidi e non oleosi, che possono sempre derivare dalle precedenti operazioni.
Una sostanza decapante ha il potere di eliminare questi residui: il processo avviene anche qui tramite immersione. L’eliminazione dei residui ossidi si rende necessaria perché si tratta di agenti contaminanti che hanno un’alta probabilità di corrodere l’oggetto.
Abbiamo infatti detto che, sebbene le leghe del titanio siano dotate di un naturale strato di protezione, questo è molto instabile e può ugualmente provocare fenomeni di corrosione.
Anodizzazione
Ancor più importante è il procedimento di anodizzazione. Questo, infatti, ricrea artificialmente il naturale strato di protezione dagli ossidi, rendendolo ovviamente stabile e permettendo così all’oggetto di essere resistente agli agenti atmosferici.
Questo film protettivo è curiosamente costituito dagli stessi elementi che provocano la corrosione.
All’interno del quartier generale di Bama questo processo avviene attraverso l’utilizzo di soluzioni appositamente progettate per generare un equilibrio e creare uno strato di protezione denso e compatto, nonché uniforme, al contrario di ciò che avviene in natura.
Questo procedimento di natura elettrochimica avviene tramite immersione in speciali vasche contenenti le soluzioni, o in alternativa attraverso la tecnica a spruzzo.
Con il processo di anodizzazione è inoltre possibile fornire anche una particolare colorazione al titanio. Spesso esistono delle “regole universali” che attribuiscono a ogni colore una determinata funzione. Il blu, ad esempio è comunemente utilizzato dall’industria farmaceutica, mentre il nero è il colore preferito per l’anodizzazione del titanio che andrà a fare parte di un’arma.
